亚临界压力下二氧化碳传热特性及临界热流密度预测模型研究

二氧化碳(CO₂)布雷顿循环系统有着紧凑、高效、灵活的特点在第三代光热系统和第四代核电系统中具有良好的应用前景，而CO₂传热恶化现象影响着机组的安全运行。为研究竖直上升管内CO₂的传热恶化现象，在实验室建立了CO₂传热特性系统，对比了亚临界与超临界状态下CO₂传热特性，获得了热工参数对CO₂传热恶化的影响规律，并建立了CO₂临界热流密度预测关联，预测值与实验值吻合良好，误差在±30%以内。研究结果表明：亚临界压力下，CO₂发生传热恶化时壁温峰值更高；远离临界压力，增加质量流量均有利于抑制传热恶化的发生。     

考虑截面形状误差的超临界二氧化碳微通道换热特性研究

针对印刷电路板式换热器由于加工误差以及服役过程中变形导致的实际换热性能与理论存在偏差问题,利用超景深显微镜技术,测量获取了实际微通道的形状特点,对不同通道形状的微通道换热进行了数值模拟,分析了通道形状对热工性能的影响,综合考虑物性变化、通道形状变化的影响,根据数值模拟结果获得了新的传热特性关联式,可为评估实际服役的超临界二氧化碳印刷电路板式换热器的换热性能提供理论基础。     

超临界二氧化碳传热恶化现象研究进展

超临界二氧化碳（S-CO2）循环发电技术由于灵活性强、发电效率高、设备紧凑、可实现热电完全解耦、满足快速调峰需求等优势,成为国家能源局《能源技术创新“十四五”规划》的重要专题。虽然S-CO2作为工质带来诸多优势,但也会伴随传热恶化现象,对发电系统造成严重损害。本文从S-CO2的物性参数和传热特性2方面展开,综述了国内外针对S-CO2工质传热恶化现象的研究进展。现有研究表明:S-CO2物性获取的手段并不完善,其中高温高压区实验数据有待补充,近临界区计算精度较差;针对S-CO2传热特性进行的研究较为丰富,但涉及参数范围较窄;数值模拟湍流模型选择存在争议;现有针对传热恶化建立的标准缺乏评估和对比,适用工况有待验证。基于以上结果,对后续工作提出了建议,以期为S-CO2循环发电系统的分析设计及健康运行管理提供参考。     

超临界二氧化碳轴流透平冷却系统耦合传热特性数值研究

针对某型超临界二氧化碳(S-CO₂)轴流透平开展了冷却系统设计，通过抽取压缩机后管道中低温S-CO₂对干气密封、转轴和壳体进行冷却，以保证干气密封工作温度低于200.0℃。采用耦合传热方法分析了该冷却系统的流动和传热特性，对比了不同冷却方案的干气密封、转轴与壳体等固体域的温度分布。结果表明：采用转轴冷却方案时转轴温度降幅达到220.3℃，干气密封最高温度为229.1℃；进一步引入温度更低流量更大的S-CO₂对壳体进行冷却，能抑制透平进口处高温主流的加热作用，转轴温度降幅增加到244.1℃，干气密封最高温度下降到181.2℃，同时S-CO₂轴流透平干气密封、壳体和转轴等被冷却部件温度梯度可控。该冷却系统为S-CO₂轴流透平的安全可靠运行提供了解决方案。     

轴向非均匀热流条件下超临界二氧化碳垂直管内换热特性

针对超临界二氧化碳(S-CO₂)燃煤锅炉冷却壁热边界条件的实际分布，采用SST k-ω低雷诺数湍流模型，数值模拟研究了半周加热轴向非均匀热流作用下S-CO₂在垂直圆管内的传热特性，分析了不同热流分布、质量流速对换热性能以及圆管内壁温度分布的影响。研究结果表明：轴向非均匀热流分布对S-CO₂传热具有显著影响，在平均热流相同的条件下，相较于均匀热流分布，轴向非均匀热流分布下总传热系数最大提高了约8%；轴向非均匀热流分布对传热恶化有抑制作用，有效降低了壁温峰值点；非均匀热流条件下，S-CO₂传热主要受类气膜厚度、类气膜导热系数及近壁区定压比热容的影响较大。研究结果可为燃煤S-CO₂锅炉设计提供理论指导。     

600MW煤基超临界二氧化碳循环PCHE预冷器设计及传热特性研究EI北大核心CSCD

为对超临界二氧化碳循环预冷器进行概念设计并探究其传热特性,构建了印刷电路板式换热器(printed circuit heat exchanger,PCHE)预冷器的变结构分段设计模型,对600MW煤基超临界二氧化碳循环PCHE预冷器开展设计计算和传热特性研究,在定换热量条件下分析冷热侧质量流量与预冷器设计参数的变化关系,探讨其内部传热特性,并给出预冷器设计方案。结果表明:预冷器内S-CO_(2)拟临界工况使温度呈非线性变化,热侧工质物性变化对预冷器整体传热性能的影响更加明显;热侧单通道入口质量流量增加3倍能使平均传热系数提高54.21%,但最小温差值降低53.38%,冷侧单通道入口质量流量的增加仅能强化冷侧传热;设计时可优先选取体积为优化目标以确定截面通道数及热侧入口参数,冷侧水量选取应权衡尺寸及压降关系;最终,该方案选取预冷器内冷热侧单通道入口质量流量分别为2.2和0.75g/s,与已有结果相比该预冷器体积可减小10.50%,夹点温差提高1℃。     

基于类沸腾理论的超临界CO_(2)水平管内强制对流传热特性EI北大核心CSCD

该文开展超临界二氧化碳10mm水平圆管内强制对流传热的实验研究,实验参数范围为:质量流速为240.12~1020.34kg/m^(2) s;热流密度为30.24~352.64kW/m^(2);压力为7.542~15.427MPa。基于类沸腾理论解释了实验结果:用类液相雷诺数的大小表征类液相层流效应的强弱,解释传热系数随热流密度的非单调性变化,为超临界流体正常传热与传热恶化划分了边界;用弗劳德数解释类两相区内顶底壁面的传热差异,工质在类气类液区的传热符合单相工质特征。研究结果验证了类沸腾理论模型的实用价值,可为超临界流体传热提供新的研究思路。     

竖直上升直肋管内超临界二氧化碳换热特性与肋结构优化

高性能超临界二氧化碳(S-CO₂)换热器是实现S-CO₂布雷顿循环系统高效紧凑化的关键核心设备,S-CO₂在光滑通道内换热系数较低,寻求高换热性能与低阻换热结构是发展高效紧凑式换热器的关键。采用五轴电火花成型技术制造出直肋管,通过实验方法研究了S-CO₂在四头直肋管内传热规律,系统分析了流动参数对直肋管强化传热特性影响,定量评估了直肋管与光管换热能力的差异;采用数值模拟方法研究了直肋管结构参数对强化传热和阻力特性的影响规律,获得最优的直肋管结构。结果表明：增加压力和质量流速可以降低壁面温度,提高对流换热系数,直肋管的平均换热能力是圆形光管的1.96倍左右;相较于圆形光管,直肋管可以有效延迟传热恶化发生,且使传热恶化延迟能力提升0.3～1.8倍;当固定肋宽0.5 mm,肋高2.5 mm,直肋管的综合换热能力最好,综合换热因子为1.58;而固定肋高为0.5 mm,高宽比0.33,直肋管的综合换热能力最好,综合换热因子为1.22。     

超临界压力下二氧化碳在套管换热器内传热特性数值模拟

在超临界二氧化碳布雷顿循环等热质循环输运过程中，存在超临界压力下冷热2股二氧化碳间的流动传热过程，其传热特性是影响相应系统性能的关键。本文以套管换热器为原型，对超临界压力下的冷热二氧化碳间的传热特性开展了数值模拟研究，分析了热流体入口温度、冷热流体入口流量对于传热特性的影响和周向的传热特性分布。结果表明:随着热流体入口温度的变化，热侧和冷侧的局部换热系数产生相应的变化和波动，同时冷侧局部换热系数在主流温度接近拟临界温度时，会出现明显的传热强化现象；另外，热侧二氧化碳质量流量的上升，会使得热侧换热系数提高，冷侧换热系数峰值减小且向冷流体入口处移动，而随着冷侧质量流量的上升，冷侧换热系数峰值增大且向冷流体出口处移动。这是由于套管换热器为水平布置，传热特性在周向上产生了明显的不均匀现象，其与流体密度变化在重力作用下的局部湍流效应增强和削弱有关。本研究对新型二氧化碳布雷顿循环等热质循环输运过程的开发和设计具有指导意义。     

管壁局部粗糙对水平超临界二氧化碳湍流传热的影响

为改善水平管内超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO₂)湍流传热，该文对管壁引入简易的均匀砂粗糙，并基于水平超临界流动传热特征，创新性地提出上壁面(传热恶化)附近特定区域粗糙化方案。模拟计算中，采用k-ωSST湍流模型并对其关于粗糙管流传热预测进行了验证以展示其可靠性，而后对管径d=4.57mm水平管道内S-CO₂的流动传热展开探究，并讨论局部粗糙化范围以及关键因素浮升力的影响。结果表明：管道上壁面特定区域粗糙化能显著降低上壁面温度，增强该区域S-CO₂传热性能，继而有效改善周向传热均匀性。低热流密度时，管壁粗糙面积在湍动能整体水平较低的加热管流前半部分影响较为明显；随着热流密度的增加，浮升力效应增强，上壁面附近高温区域逐渐扩大，而不同工况条件下使粗糙范围集中于此高温区域能够获得兼顾水平S-CO₂传热效率与附加流动阻力更优的综合性能。     

超临界二氧化碳环境下耐热钢T91腐蚀行为机理研究

超临界二氧化碳循环发电系统具有效率高、设备体积小和用水量小等优点，其应用前景广阔，该系统高温部件结构材料的抗腐蚀性能是确保系统长周期安全高效运行的决定因素之一。本文在超临界二氧化碳环境下开展高温部件典型材料耐热钢T91的腐蚀机理试验，利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和辉光放电光谱仪分析耐热钢T91表面腐蚀产物类型、成分及其分布。结果发现:在试验条件下超临界二氧化碳环境中，耐热钢T91腐蚀动力学规律符合抛物线型腐蚀规律，说明腐蚀过程受离子扩散控制；耐热钢T91腐蚀的主要类型为全面腐蚀，并且腐蚀产物表面出现C富集现象；耐热钢T91表面的腐蚀产物从气固界面到基体依次为Fe3O4、(Fe,Cr)3O4与碳化物和弥散于基体的碳化物；超临界二氧化碳环境中腐蚀产物(Fe,Cr)3O4层与耐热钢T91基体出现渗碳现象，说明腐蚀过程中发生氧化和碳化反应，研究结果丰富了超临界二氧化碳腐蚀中C元素的演变规律。     

超临界CO_(2)水平管内动态冷却传热特性数值模拟研究EI北大核心CSCD

该文利用有限元与CFD的方法建立一维和三维模型,对超临界CO_(2)的动态冷却传热性能进行研究。该文比较了两种模型在外部热流密度发生扰动时的动态响应与反馈,并探讨浮升力效应对管内超临界CO_(2)动态流动换热影响。结果表明:超临界CO_(2)动态冷却的三维动态模拟与一维动态模拟所得出口参数的响应时间具有较大差距;三维模型和一维模型的出口参数动态响应时间在温度接近临界区且管径较大的时候有着较大的差异,浮升力作用是造成两者差异的主要原因之一;浮升力效应通过理查德森数进行量化,在相同管径条件下,Ri越大,三维模型和一维模型之间的差距越大,在Ri大于0.1时,三维动态和一维动态之间响应时间差距较为明显。     

超临界锅炉水冷壁的传热恶化研究

探讨了超临界锅炉水冷壁的传热恶化,分析了发生传热恶化的原因,并提出抑制或推迟传热恶化发生的主要策略。     

垂直上升加热管道内超临界二氧化碳流动不稳定性研究

超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环发电技术被认为是最具前景的发电技术之一。在S-CO₂发电系统启动/停机或者较低负荷的条件下,主压缩机送出的S-CO₂在不能够充分回热的条件下直接进入S-CO₂锅炉,会使S-CO₂锅炉气冷壁内的大量S-CO₂工作在拟临界温度点附近,致使S-CO₂流动不稳定性成为S-CO₂锅炉必须考虑的问题。本文以S-CO₂锅炉气冷壁最为常见的布置结构（即垂直上升加热管）为研究背景,首先构建了S-CO₂流动不稳定性的计算模型,随后进行了大量的数值计算,研究了典型工况下的S-CO₂流动不稳定性特点,获取了主要边界参数对界限热流密度的影响规律。结果显示:随着入口压力或者质量流量的增大,界限热流密度显著提升,管内流动稳定性有明显提高;随着入口温度的提高,界限热流密度先降低再升高;对于不同的工况,存在1个临界入口温度,在该入口温度下,界限热流密度最低,管内流动稳定性最差。     

金属材料在超临界二氧化碳环境内腐蚀行为研究进展

超临界二氧化碳(S-CO₂)循环发电技术因其自身的技术优势成为热力发电领域一项具有划时代意义的重大变革性前沿技术，由于十分苛刻的工作环境，S-CO₂易造成设备材料腐蚀。为确保S-CO₂系统安全有效地运行，首先介绍了S-CO₂布雷顿循环系统工质运行参数范围以及系统关键设备候选材料，其次综述了目前有关金属材料在S-CO₂环境中的腐蚀行为研究现状，然后详细阐述了S-CO₂环境下的腐蚀机理，归纳了温度、压力、杂质、流速以及材料成分对S-CO₂腐蚀过程的影响，同时介绍了S-CO₂腐蚀防控技术的研究进展，最后进行了总结并指出了现有研究的不足及未来研究的主要方向，为我国S-CO₂循环系统的安全运行提供科学依据。     

太阳能吸热器内超临界二氧化碳对流换热特性数值研究

为分析聚光太阳能热发电中吸热器内超临界二氧化碳（S-CO₂）在高温非均匀壁面热流密度分布下的对流换热特性，采用ANSYS Fluent软件建立了管排式吸热器的三维数值模型，对其中S-CO₂对流换热特性进行数值仿真，并考虑了吸热器与外界环境的辐射和对流换热，分析了吸热管半周均匀受热、半周周向均匀轴向高斯受热和半周周向余弦轴向高斯受热3种非均匀壁面热流密度分布的影响。仿真结果表明:外界环境的辐射和对流换热对吸热器壁面温度影响较大，相较于未考虑外界环境的辐射和对流换热，考虑辐射和对流换热的壁面最高温度下降6.84%；3种壁面热流密度分布中半周周向余弦轴向高斯受热的吸热器出口温度和壁面最高温度均最高，其壁面最高温度比半周均匀受热高353.4 K；非均匀壁面热流密度分布虽然对吸热器内流体流量分配不均匀性的改善不明显，但可明显削弱流量分配不均造成的各吸热管流体温度偏差的影响。     

多种高温金属材料在超临界二氧化碳中的腐蚀行为EI北大核心CSCD

超临界二氧化碳布雷顿循环发电是一种新兴的发电技术,保证其中高温材料的抗腐蚀性能满足要求是设备安全运行的必要前提。该文研究3种耐高温材料P92、Sanicro25、Inconel625在600℃、25MPa超临界二氧化碳中的腐蚀行为。采用扫描电镜、能谱分析、X射线衍射、X射线光电子能谱、原子力显微镜以及辉光放电光谱仪对腐蚀产物进行表征。结果表明:P92形成了较为疏松、多孔洞的双层氧化膜结构;Sanicro25和Inconel625则形成致密的Cr_(2)O_(3)氧化膜。P92的氧化层有明显的孔洞形成,而氧化层下方基体发生渗碳;Sanicro25和Inconel625氧化层下方则有明显的贫Cr现象发生。Sanicro25和Inconel625抗腐蚀性能和抗渗碳能力明显优于P92。同时,基于“空洞诱导双层氧化膜形成机理”,指出合理的Cr元素含量是预防渗碳、保证氧化膜致密性的关键因素之一。结果可为超临界二氧化碳循环机组的选材和腐蚀防护提供一定参考和借鉴。     

低质量流速优化内螺纹管的传热特性试验研究

在亚临界、近临界及超临界压力区,对600MW超临界W火焰锅炉水冷壁中垂直上升低质量流速优化内螺纹管的传热特性进行了试验研究,得到了不同运行工况下内螺纹管的壁温分布,分析了压力、外壁热流密度、质量流速对传热特性的影响。结果表明：低质量流速优化内螺纹管具有良好的传热特性,能够有效避免膜态沸腾;在亚临界压力区,压力与热流密度的增大以及质量流速的减小,均会导致干涸提前发生和干涸后的壁温飞升值增大。与亚临界压力区相比,内螺纹管在近临界压力区的传热特性变差,随着压力的增大,管壁温度显著升高,发生传热恶化时的临界干度减小。在超临界压力区,内螺纹管在拟临界点附近出现了传热强化;压力越接近临界压力,传热强化越明显;压力与热流密度的增大以及质量流速的减小均会导致壁温增大。     

螺旋管内超临界二氧化碳换热性能的模拟和试验研究

对超临界二氧化碳(S-CO₂)在螺旋管内的对流换热性能进行模拟和试验研究。探讨了热流密度q、质量流量G、节距P、管内径d、螺旋半径R等流动、结构特性对流动传热的影响，并对各结构特性灵敏度做了量化分析；搭建了闭式循环的S-CO₂测试平台，对螺旋管内S-CO₂对流换热性能进行了试验研究，并基于试验工况数据验证了数值模拟的准确性；对数据进行处理，拟合出了S-CO₂的传热关联式。该研究为S-CO₂螺旋管式换热器的热力设计方法奠定了基础，并在核电及光热发电领域具有一定的工程应用价值。     

基于GA-BP神经网络的超临界二氧化碳折射率及密度预测

基本光学性质折射率是研究物质物理性质的重要参数。本文以超临界二氧化碳（S-CO₂）为对象，整合各文献在不同温度、压力下对S-CO₂折射率的测量数据，使用遗传算法（GA）优化后的BP神经网络建立了预测S-CO₂折射率的模型，并基于S-CO₂密度与波长、折射率内在联系的洛伦兹-洛伦兹关系式，对S-CO₂的密度进行反演。结果表明:该模型预测 S-CO₂折射率的最大相对误差仅为0.844%；反演的S-CO₂密度值同REFPROP软件结果相比，平均误差不超过3.65％；在亚临界和超临界区，通过实验测量折射率来研究CO₂物性是可行的；在近临界区，由于CO₂物性变化剧烈，对折射率变化规律的测量及折射率与CO₂物性的关系尚需进一步研究。